數控機床熱變形分析研究及自動熱補償技術應用

何曉峰 石鑫江 張小雨

摘要：本文對數控機床存在的各種熱源進行分析，并提出減少發熱量的各種措施。最后，以立式加工中心的Z軸應用自動熱補償技術進行實時補償為例，取得了有益效果。

關鍵詞：數控機床;熱變形;措施;自動熱補償

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0095-02

0? 引言

當今世界，數控機床的使用越來越普及，尤其隨著科學技術的發展，制造技術的進步，人們對于數控機床提出了更高的精度、速度要求以滿足現代生產的需求。眾所周知，影響數控機床精度的因素很多，就機床主機而言由于不同內部、外部熱源作用下引起的局部熱變形，是造成機床精度變化的重要原因之一。而且由于溫度變化引起的熱變形對精度的影響是個緩慢不斷變化的過程，在生產中也往往容易被使用者所忽視。

1? 機床熱源存在形式

眾所周知，熱變形的基本過程是熱源→溫升→熱變形。研究機床的熱誤差，必須首先明確機床各個發熱源。機床加工運行過程中的各種熱源包括：①數控機床所處的空間環境對于機床熱變形存在較大影響。例如，機床所處位置存在局部光照情況，機床在長時間日照下將引起局部溫升，從而產生溫差引起熱變形，最終影響精度。②機械接觸部件的局部發熱。比較常見有主軸軸承發熱、絲桿軸承發熱、絲桿螺母發熱等。具體表現為兩個零件間相互接觸運動，由于摩擦力的存在導致運動部件產生大量熱量，引起局部溫升造成熱變形。絲桿做為高精度零件，本是機床精度的重要保障，但是絲桿工作時在其兩端及中間位置都存在熱源分布，屬于細長桿類零件的絲桿對于溫度的變化又比較敏感。如何解決絲桿熱伸長是關于機床精度保障研究的重要課題之一。③電氣元件的發熱。電氣元件包括：伺服軸電機、主軸電機、電柜內電氣件工作發熱等。電機發熱主要來自繞組導線的通電發熱（銅損）及軸承機械摩擦發熱，產生的熱量將可能通過聯軸器傳遞給絲桿，通過電機座傳遞給機床本體，引起局部溫升，產生熱變形。④切削熱。切削加工會伴隨著大量的熱產生，切屑和切削液會帶走一部分熱量。一部分熱量則被工件吸收，一部分熱量通過刀具進入主軸端，直接導致主軸熱漂移誤差變大。

2? 機床降低熱變形的方法

①盡可能少的采用發熱元器件或想辦法減少發熱元件對機床的影響。比如，采用接觸形式由滾動替代滑動，可降低摩擦力，減少發熱;動力源盡可能的采用氣動形式替代液壓，可降低發熱;合理選擇電動機規格，減少浪費，降低發熱量;合理布置發熱元件，使其按對機床造成熱變形盡量小的方式安放等。②機床結構設計采用對稱方案，對稱的結構形式可以實現機床在不同熱源作用下產生的熱變形量達到最小，最大限度的保障機床精度。機床結構設計采用對稱方案是指在零部件結構設計時，盡量使零部件的熱源、散熱面積等對稱分布，以保持熱變形后機床敏感精度的中心位置不變。③機床在開機工作時，增加必要的熱機步驟，使機床導軌、絲桿、電機等發熱源充分工作并達到熱平衡狀態，這對于機床的高精度，高穩定性工作具有現實意義。因為機床由剛開機冷機狀態工作到熱機穩定狀態，雖然時間不長，但是存在局部升溫嚴重造成溫差產生，引起熱變形。④機床放置于恒溫車間，使機床工作環境溫度保持恒定，可以最大限度的降低溫差，降低機床熱變形。另外，機床的關鍵部件及發熱嚴重的部件需要增加恒溫油冷或水冷，利用設定的恒溫流體循環流過主軸軸承、直線電機等熱源部位，通過對流熱交換，帶走熱量，降低局部溫升，控制熱變形。恒溫冷卻系統的使用已經是現階段機床主軸降低熱變形保證精度的重要手段。⑤機床加工產生切屑的合理處理。機床加工時產生的切屑掉落于床上或飛濺于防護上，由于切屑自帶熱量，大量切屑的堆積將會是一個不可忽視的熱源。如何快速有效的將切屑排出機床外，也是機床設計的一個重大課題之一。關于切屑熱的處理，還可以通過加大冷卻液流量進行冷卻優化。不過現在還可以通過采用高速銑削的方式來減少切屑自身的熱量，尤其是高精度鋁合金薄壁的加工方面已經得到了普遍應用。

3? 自動熱補償技術驗證示列

現以某廠MV80立式加工中心為研究對象，應用自動熱補償手段解決Z軸熱機前后的定位誤差過大的問題。

為了驗證誤差補償器的補償效果，上午機床以4.5m/min熱機30分鐘，下午以30m/min熱機30分鐘 ，分別測試補償前后，機床在熱機前后的定位誤差。

3.1 進給速度為4.5m/min的補償效果（上午）

機床在早晨開機處于冷態時，分別測量其在補償前后的定位誤差，此時室溫為4℃，絲桿螺母溫度為4.3℃。然后機床以4.5m/min的進給速度熱機30min，分別測量熱機后補償前后的定位誤差，此時室溫為4.1℃，絲桿螺母溫度為9.2℃。測試結果如圖1與表1所示。

3.2 進給速度為30m/min的補償效果（下午）

在機床中午冷機2小時完全冷卻后，先分別測量其在補償前后的定位誤差，此時室溫為8.3℃，絲桿螺母溫度為8.5℃。然后機床以30m/min的進給速度熱機30min，分別測量熱機后補償前后的定位誤差，此時室溫為8.5℃，絲桿螺母溫度為27.5℃。測試結果如圖2與表2所示。

3.3 Z軸熱誤差檢測

參照機床用戶檢測Z軸熱誤差的方式，用千分表分別檢測補償后，Z軸以30m/min的進給速度熱機30min與機床冷機30min時Z軸熱誤差變化大小。經檢測發現補償后，熱機與冷卻的整個過程中，千分表指針的偏擺量均在15um以內;如果關閉補償功能，千分表指針的偏擺量可以達到130um。

3.4 有益效果

補償前，Z軸在冷態定位精度在120-100um 之間，嚴重影響客戶冷態加工工件的精度。實施補償后，Z軸在各種室溫下的冷態定位精度均維持在15um以內，在各種熱態下測得的定位精度也維持在20um以內，其精度整體提高了80%左右。

4? 結束語

綜上所述，熱變形是影響機床定位精度的重要因素。誤差預防方面：合理的機床結構設計是減少機床熱變形的基礎;誤差補償方面，采取自動熱補償裝置抵消熱變形影響已經成為控制機床熱變形的有效手段。最后，相信隨著技術的不斷發展，關于熱變形的研究必將有新的突破。

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